| 研究課題/領域番号 |
21H04730
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分40:森林圏科学、水圏応用科学およびその関連分野
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
浦木 康光 北海道大学, 農学研究院, 教授 (90193961)
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| 研究分担者 |
重冨 顕吾 北海道大学, 農学研究院, 講師 (20547202)
鈴木 栞 北海道大学, 農学研究院, 助教 (20867155)
堤 祐司 九州大学, 農学研究院, 教授 (30236921)
玉井 裕 北海道大学, 農学研究院, 教授 (50281796)
綿岡 勲 京都工芸繊維大学, 繊維学系, 准教授 (70314276)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
42,900千円 (直接経費: 33,000千円、間接経費: 9,900千円)
2024年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2022年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2021年度: 22,230千円 (直接経費: 17,100千円、間接経費: 5,130千円)
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| キーワード | リグニン / 人工多糖類マトリックス / 成長反応 / QCM-D / 蛍光共鳴エネルギー移動 / 細胞壁ミメティックス / ヘミセルロース / アセチル基 / キシログルカン |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、先ず、木材から抽出したセルロースとヘミセルロースを用いて、初期細胞壁の構造を模倣した多糖類マトリックスを人為的に再構築する。さらに、このマトリックス中で、ポプラで発見された細胞壁ペルオキシダーゼを用いて、リグニンの形成反応を行う。この形成過程の解析、特に、成長反応過程を“木化”に関与する物質との空間配置と関連させて解析することに因り、リグニンの構造と生成環境との相関を明らかにすることが本研究である。
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| 研究実績の概要 |
令和4年度は、以下の2つの主要課題について取り組んだ。
1.水溶性部分アセチル化キシラン存在下での脱水素重合体の調製とその分析：広葉樹のキシランと同程度のアセチル基を有するグルクロノキシランを、市販のブナキシランから調製した。この部分アセチル化キシランの水溶部（PAC）、および針葉樹から抽出したグルコマンナンと市販のキシログルカンを用いて、消散監視機能付き水晶振動子マイクロバランス（QCM-D）のセンサ上に細胞壁マトリックスの構築を試みた。この工程の第一段階は広葉樹セルロースナノファイバー（CNF）の固着であり、アンカー試薬を用いることで、達成できた。第二段階は、各種ヘミセルロースの吸着であり、PACの吸着量はアセチル化前のキシランより少なく、CNFとの低し親和性が明らかになった。第三段階は酵素の吸着で、ポプラ由来のペルオキシダーゼ（rCWPO-C）と、西洋わさびペルオキシダーゼ（HRP）の吸着量を測定した。HRPはCNF表面を好んだが、rCWPO-CはPAC表面に多量吸着し、PACの重要性が示唆された。最終段階はモノリグノールの酵素表面への接着による脱水素重合で、rCWPO-Cはシナピルアルコールを酸化して巨大な重合体を与えた。特に、PACが存在すると、超巨大な粒子が生成し、キシラン中のアセチル基の重要性、即ち、リグニン形成における合目的性が明確になった。
2.モノリグノール間およびモノリグノールと高分子リグニン間の蛍光共鳴エネルギー移動（FRET)の測定：昨年の課題であった高濃度リグニン溶液の調製が自転公転ミキサーを使用することで可能となった。そこで、FRET測定の予備研究として、各種単離リグニンの蛍光特性を調べた。その結果、どのリグニンも278 nmの紫外線を10分間照射するだけで、容易に構造変化を起こすことが分かり、今後の蛍光測定に対する課題が明確になった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当該年度は、以下の2つの課題を解明および達成することを目的とした。
1.水溶性部分アセチル化キシラン存在下での脱水素重合体の調製とその分析
2.モノリグノール間およびモノリグノールと高分子リグニン間の蛍光共鳴エネルギー移動（フェルスター共鳴エネルギー移動：FRET)の検出
課題1については、目的をほぼ達成し、論文の細径にも至った。課題2は、目的は達成していないが、単離リグニンの蛍光測定を行う上での注意事項が明らかとなった。単離リグニンは紫外光照射で容易に構造が変化し、それは照射10分で、蛍光スペクトルを明確に変化させる構造変化であった。この発見は、リグニンの構造を解析する上での新たな課題を与えるとともに、今後のリグニンの蛍光測定に対する実験上の注意事項を示すに至った。これは、研究当初には予見できなかったことであるが、研究初期の段階で見つかったことより、本研究課題は当初の予定通り、進行していると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和４年度の研究成果を基に、今後は以下の研究を行う。
1.針葉樹の木化におけるグルコマンナン中のアセチル基の意義：広葉樹の木化においては、グルコマンナン中のアセチル基が木化に重要な官能基であることが示された。針葉樹の主要なヘミセルロースであるグルコマンナンも部分的にアセチル化されているので、木化、特に、粒子状のリグニンが成長する反応にも寄与していることが推定されるので、細胞壁マトリックスを用いて、このヘミセルロースの機能を解明する。並行して、部分アセチル化キシランおよびグルコマンナン存在下で、リグニンモデル化合物を出発物質とするリグニンの成長反応の追跡も行う。
2.紫外線照射による単離リグニンの構造変化の解明：単離リグニンは、短時間の紫外線照射でも容易に構造変化することが示された。この反応には、空気中の酸素の影響が考えられるので、環境とリグニンの構造変化の関係を詳細に解明し、FRET測定の基礎になる情報を収集する。
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